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AQUA Studienpreisträgerin 2021

Katrin Merkler

Die AQUA Stiftung verleiht den AQUA Studienpreis 2021 an Katrin Merkler für ihre herausragende Master-Arbeit mit dem Titel "Technologiekombination aus Pulveraktivkohle und Ultrafiltration zur Spurenstoffentnahme und Elimination von (antibiotikaresistenten) Bakterien"

Katrin Merkler (M.Sc.) hat von 2017 bis 2020 den Masterstudiengang "Umweltschutztechnik" an der Universität Stuttgart belegt. Ihre herausragende Master-Arbeit zum Thema "Technologiekombination aus Pulveraktivkohle und Ultrafiltration zur Spurenstoffentnahme und Elimination von (antibiotikaresistenten) Bakterine" wurde von Dr.-Ing. Marie Launay vom Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft und von Dr.-Ing. Christian Locher vom Ingenieurbüro Jedele und Partnere GmbH betreut. Die Arbeit befasst sich der der verfahrenstechnischen Kombination der Pulverkohledosierung und Ultrafiltration im Rahmen der weitergehenden Abwasserreinigung in Kläranlagen und erörterte die Frage, ob neben der Spurenstoffentnahme auch eine effektive Entnahme von antibiotikaresistenten Bakterien bzw. deren Genen sowie Viren aus kommunalem Abwasser erreicht werden kann. Der anspruchsvolle ingenieurwissenschaftliche Ansatz bestand darin, Laborversuche und Untersuchungen an der halbtechnischen Pilotanlage soweit voranzubringen, dass darauf aufbauend Entscheidungen getroffen werden können. Gefragt war, ein anwendungsreifes Verfahren für die Kläranlage Tuttlingen. Frau Merkler konnte wesentliche Grundlagendaten zusammentragen, die belegen, dass eine Kombination aus Pulveraktivkohle und Ultrafiltration ein geeignetes Verfahren für eine weitergehende Abwasserreinigungsstufe darstellt. Gerade in Hinblick auf Oberflächengewässer die für die Trinkwassergewinnung genutzt werden, ist dies bedeutsam.

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit sollte mit der Technologiekombination aus Pulveraktivkohle (PAK) und Ultrafiltration (UF) untersucht werden, ob neben der Spurenstoffentnahme auch eine effektive Entnahme von antibiotikaresistenten Bakterien (ARB) bzw. deren Genen, sowie Viren aus kommunalem Abwasser erreicht werden kann. Damit stünde eine weitergehende Reinigungsstufe zur Verfügung, welche die Entnahme von Spurenstoffen, Mikroplastik, ARB und deren Genen kombinieren würde. Gleichzeitig kann durch die Membran ein vollständiger Rückhalt der PAK sichergestellt werden.

Im Rahmen des Projekts wurden zunächst Rührversuche zur Ermittlung der für das spezifische Abwasser geeignetsten PAK durchgeführt. Zwei PAK unterschiedlicher Korngröße wurden auf Grundlage dieser Ergebnisse halbtechnisch auf einer Pilotanlage untersucht. Die Dosierung erfolgte entweder direkt vor die Ultrafiltrationsmembran ohne Verweilzeit oder in einen vorgeschalteten Kontaktreaktor mit Verweilzeiten von 20 bis 40 min. Die PAK-Konzentration betrug 10 bzw. 20 mg/l. Die vom Umweltministerium Baden-Württemberg (UMBW) geforderte Spurenstoffelimination der sieben ausgewählten Substanzen (Carbamazepin, Diclofenac, Hydrochlorothiazid, Irbesartan, Metoprolol, Benzotriazol und Σ4- und 5-Methylbenzotriazol) von 80 % über die gesamte Kläranlage wurde mit der herkömmlich eingesetzten PAK mit einer Partikelgröße zwischen 15-35 μm bei einer Konzentration von 20 mg PAK/l und einer Verweilzeit im Kontaktreaktor von 40 min erreicht. Mit der speziell angefertigten ultrafeinen PAK mit einer Partikelgröße von ca. 5 μm konnte die Entnahme bereits bei einer Konzentration von 10 mg PAK/l ohne Kontaktzeit im Reaktor erzielt werden. Empfohlen wird jedoch zur sicheren Gewährleistung einer ausreichenden Spurenstoffentnahme eine Konzentration zwischen 10-15 mg PAK/l. Der Betriebsprozess wurde im Laufe der Untersuchungen stetig optimiert. Eine regelmäßige chemisch unterstützte Rückspülung (CEB) mit Natriumhypochlorit erwies sich ohne Flockungsmitteldosierung zunächst als zwingend notwendig für einen stabilen Prozess mit niedrigen Betriebsdrücken unter 250 mbar. Durch die Dosierung eines aluminiumbasierten Flockungsmittels konnte der Transmembrandruck (TMD) auf durchschnittlich rd. 130 mbar reduziert werden. Die Häufigkeit der CEB wurde stufenweise reduziert und konnte schließlich vollständig eingestellt werden. Bei einer großtechnischen Umsetzung wäre eine gelegentliche CEB in Abhängigkeit des TMD zu empfehlen. Zusätzlich wurde durch die Flockungsmitteldosierung eine hohe Entnahme des Gesamtphosphors auf Konzentrationen unterhalb 0,3 mg Pges/l erzielt. ARB und Viren wurden durch die Membran im Durchschnitt um 3 log-Stufen reduziert und hinsichtlich der Keimreduktion eine sehr gute Ablaufqualität erzielt.

Schlagwörter: kommunale Abwasserreinigung, Pulveraktivkohle, Ultrafiltration, Entnahme, Spurenstoffe, antibiotikaresistente Bakterien

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